CC BY
60
УДК 628.543
ГИДРОДИНАМИКА ТРЕХФАЗНЫХ ПСЕВДООЖИЖЕННЫХ СЛОЕВ
НИ. ПАВЛИНОВА, доктор технических наук, профессор
АИ АНДРЮШИН, аспирант Московский институт коммунального хозяйства и строительства Тел.:(495)6783273
Резюме. Приведены результаты экспериментальнорасчетных исследований гидродинамических характеристик трехфазных псевдоожиженных слоев. Получены расчетные соотношения между параметрами систем: «жидкость-газ», «жидкость-твердые частицы», «жид-кость-газ-твердые частицы». Показано, что степень сходимости экспериментальных и расчетных параметров по времени пребывания жидкости, расширению псевдо-ожиженного слоя и удельной высоте смеси составляет 0,94, 0,96 и 0,97 соответственно.
Ключевые слова: сточные воды, псещдоожижение, двухфазные системы, трехфазные системы, гидродинамика, аэробная очистка сточных вод.
Эффективность трехфазного псевдоожиженного слоя как химического и биологического реактора известна давно. Причем большинство исследований выполнялись с использованием мелких частиц в слоях небольших размеров. В последние годы вопросам изучения гидродинамических свойств псевдоожиженого слоя трехфазных систем «вода-воздух-твердые вещества» в широком диапазоне режимов уделяется все большее внимание. Очевидно, такая ситуация связана с тем, ятю традиционные способы аэробной биологической обработки сточных вод начинают исчерпывать свои потенциальные возможности [1,2,4,5,6].
Наши исследования проводились с целью изучения гидродинамических процессов в мощных псевдоожиженных слоях, содержащих частицы средних размеров [3,7,8,9].
Условия, материалы и методы. В экспериментах в качестве жидкой фазы использовали воду, газовой — воздух, твердых тел — стеклянные шарики и гравий. Исследования выполняли в колоннах-реакторах из прозрачного оргстекла высотой 2,4 м и диаметром 650 мм с двумя видами твердых веществ — стеклянными шариками диаметром 6 мм и необработанным гравием средним диаметром 2,6 мм. Скорость воды при испытаниях изменяли в пределах 0,038. ..0,102 м/с, скорость воздуха — 0...0,261 м/с.
Высота слоя 545 мм, слой поддерживался перфорированной решеткой с диаметром отверстий 3 мм. Подачу воды и воздуха осуществляли в зону ниже перфорированной через калиброванные ротаметры.
По высоте колонны устанавливали 12 пробоотборников. Статическое давление во всех точках отбора замеряли манометрами, профили давления по высоте колонны
Достижения науки и техники АПК, №12-2008 —
использовали для определения удельного времени пребывании жидкости Хх и высоты слоя Н.
Информацию по продольному смешению жидкости в слое получали с помощью двух инжекторов (импульсного и калиброванного). В качестве трассагора использовали раствор КМп04, с помощью которого на спектрометре определяли кривую распределения потока по времени. Предполагалось, что перемешивание в слое можно охарактеризовать моделью поршневого потока осевой дисперсии. Проблему хвоста кривой отклика решали экспоненциальным корректированием кривой отклика трассатора. Числа Пекле (Ре) использовали для расчета единичной высоты смеси жидкой фазы ДН) по формуле: Щ=2Н/Ре (1)
Изучали процессы расширения псевдоожиженного слоя, продольную дисперсию частиц и время пребывания жидкости в реакторе, определяли размеры и восходящие скорости подъема воздушных пузырей. При помощи критериев Рейнольдса и Фруда контролировали процессы, протекающие в жидкой и газовой фракциях псевдоожиженной среды.
Результаты и обсуждение. По результатам исследований были получены следующие расчетные соотношения между параметрами систем псевдоожиженного слоя. Система «жидкость-газ»:
/ >0.25
т, =1,08. Я}.
Р/
• (рГ;/Н0/Ьву-3!* фе • Яе,)0'513 (2)
/АН, э со.(с-. Л*
3,88
Р/
0.21
, ,0,229
д-,Д • К-Нв,)*”4*3)
к р*}
В уравнениях (2) и (3) характеристический размер в числах Frw.Be — смоченный периметр слоя.
V* =35,94/***
Система «жидкость-твердые частицы»:
, 0,207
40,015
Н-=0’70'
(н\
/ \
■
= 1,80
Рг(*3-. Р/
(Не,Г
1,012
. 0,842
н<
(КегГ45
(4)
(5)
(6) (7)
В уравнениях (4)...(6) характеристический размер в числах Бг и Ке — средний диаметр частиц.
Система «жидкость-газ-твердые частицы»:
Ы.-о~Ы= 0,0025 х
(Ке,)*“.
Рг.
р«
(8)
63
(И \ (Н\
но \ 0 / \ 0 /
= 0,0026.
'рг,.Ь> к Р‘)
0,128
.0,345
Fr.t
Л,252
(9)
(АН,) (АН Л
I*« J 1Яо J
,=» .0,128 /
v 0,168
Fr
Ps
0,117
(10)
Числа Re и Fr имеют характерные размеры частиц и величин
.. . (АН,
ьх
11
<*о
я„
‘®/у,=0 \"~и
рассчитанные по уравнениям (5), (6) и (7) соответственно.
к, =8,83'<'332 <П>
В приведенных формулах (2)...(11),р — удельная масса, г/см3; уь — скорость всплывания пузырей, м/с; (1Ь — диаметр пузырей, см; Ьв — смоченный диаметр слоя, м, индексы: g — газовая фаза; /—жидкая фаза; б — твердая фаза; 0 — состояние покоя.
В ходе экспериментов было изучено влияние скоростей газа, жид кости и твердых взвешенных веществ на время пребывания жидкости, расширение и развитие слоя, продольное перемешивание жидкости и формирование пузырей в трехфазных слоях.
Степень корреляции экспериментальных и расчетных данных определяли с помощью метода наименьших квадратов. Их сходимость по показателям время пребывания жидкости составляет 0,94, расширение псев-доожиженного слоя — 0,96 и удельная высота смеси — 0,97 (см. рисунок).
Предложенныерасчетные системы можно применять,
Рисунок. Корреляционная зависимость экспериментальных и расчетных параметров трехфазной системы: а — по времени пребывания жидкости (г(); б — по удельной высоте смеси жидкой фазы (ДН,/Но): • — стеклянные шарики, инжектор пульсирующий; О — стеклянные шарики, инжектор постоянный; ■ — гравий, инжектор пульсирующий; □ — гравий, инжектор постоянный.
как при проектировании новых, так и при реконструкции действующих очистных сооружений.
Литература.
1. Айнштейн В.Г., Баскаков А.П., Берг Б.В. Псевдоожижение. М., Химия, 1991.
2. Брагинский Л.Н., Евилевт М.А., Бегачев В.И. Моделирование аэрационных сооружений для очистки сточных вод. Л., Химия. 1980.
3. Вавилин В.А. Анализ модели процесса биологической очистки воды. Химия и технология воды. 1985, № 7, с. 11-14.
4. Денисов А.А. Продленная аэрация при аэробной биологической очистке сточных вод активным илом. Вестник сельскохозяйственной науки, 1991, № 7, с. 115-120.
5. Литвиненко В.И. Псевдоожижение. Ухта, 1998.
6. Мазур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология, т. 1. Теоретические основы инженерной экологии. М., Высшая школа, 1996, с. 111-134, 202-225.
7. Мартынов С.И. Взаимодействие частиц в суспензии. Казань, 1998.
8. Протодьяконов И.О., Чесноков Ю.Г. Гидродинамика псевдоожиженного слоя. Л., Химия, 1982.
9. Розенбаум Р.Б., Тодес О.М. Движение тел в псевдоожиженном слое. Л., изд-во ЛГУ, 1980.
HYDRODINAMICS OF THE THREE-PHASE FLUIDIZATED BEDS 1.1. Pavlinova, A.I. Andryushin
Summary. The results of experimental-calculation investigations of the hydrodynamic characteristics of the three-phase fluidized beds are given. The calculated relationships between the parameters of the systems: "liquid-gas”, “liquid-solid particles”, “liquid-gas-solid particles" are obtained. It is shown that the degree of convergence of the experimental and calculated parameters on the residence time of liquid, the expansion of the fluidized bed and the specific height of mixture composes 0,94, 0,96 and 0,97 respectively.
Keywords: effluents, fluidization, two-phase systems, three-phase systems, hydrodinamics, aerobic purification of effluents. 64 ---------------------------------------------------------- Достижения науки и техники АПК, №12-2008
